短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2018-04-29 00:00:00滕開瓊肖琳琳劉詩慧賈文華司冰
河南農(nóng)業(yè)·綜合版 2018年2期
作物光合作用對干旱脅迫反應(yīng)十分敏感，干旱脅迫環(huán)境下植物葉片的葉綠素穩(wěn)定性下降，含量降低，葉片的光合速率也降低，從而作物的產(chǎn)量降低。干旱脅迫造成植物的氣孔關(guān)閉、水分平衡失調(diào)和酶失活會降低CO2同化量和光系統(tǒng)域光化學(xué)活性與光合電子需求不平衡，傷害葉片的葉綠體光合機(jī)構(gòu) PS系統(tǒng)，引發(fā)光合機(jī)構(gòu)受損。耐性品種具有較強(qiáng)的熱耗散和光呼吸等耗散過剩光能的調(diào)節(jié)機(jī)制，對干旱和光脅迫的保護(hù)能力較強(qiáng)。旱稻的抗旱性優(yōu)于水稻，但是，對于短時(shí)的干旱脅迫旱稻是否比水稻更迅速地適應(yīng)機(jī)制，光合機(jī)構(gòu)在短時(shí)干旱脅迫是否比水稻更穩(wěn)定。本研究，利用水稻越富、旱稻IRAT109及導(dǎo)入系為材料，用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM測定各材料葉片的葉綠素?zé)晒猓治鏊档镜娜~綠素?zé)晒鈱λ矔r(shí)干旱的適應(yīng)機(jī)制。
一、材料與方法
（一）試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為水稻品種越富、旱稻品種IRAT109、導(dǎo)入系IL392。
（二）試驗(yàn)方法
3個(gè)材料種子先用10% H2O2表面消毒10 min，無菌水沖洗6次（2 min/次），然后放置于無菌水中浸泡24 h，之后置于濕紗布上，黑暗條件下32℃催芽2 d，將露白的種子播于底部粘有紗布的泡沫塑料孔板上，每孔5粒，將泡沫板漂于盒子中，先用清水培養(yǎng)7 d，再用0.5倍的全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。3葉期，用海綿將水稻幼苗固定在塑料盒中，每盒種植30株，每7 d更換1次水稻營養(yǎng)液，每3 d調(diào)節(jié)1次pH值，使pH值為5.3。盡量保持相同的培養(yǎng)條件，生長至6葉期，3種材料水培至6葉期進(jìn)行25% PEG 6000的干旱脅迫處理，分別在0 min、30 min、60 min、90 min、120 min時(shí)測定葉片熒光，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
（三）測定儀器
調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM（M系列，德國WALZ公司生產(chǎn)）。
（四）測定部位
距離心葉最近的1片完全葉，3個(gè)重復(fù)。
二、結(jié)果與分析
由水旱稻葉片熒光圖的分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對水旱稻葉片的影響是從葉片頂端向葉片基部逐步發(fā)生的。把從葉片頂端到葉片基部均勻分為了9個(gè)部分，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8、9，測定葉片光系統(tǒng)II的熒光參數(shù)，來分析干旱對葉片各部位光系統(tǒng)II 的脅迫損傷規(guī)律。
（一）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片Y（Ⅱ）的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率降低。同一材料不同部位，葉片實(shí)際光化學(xué)效率為9>8>7>6>5>4>3/2/1（圖1），且干旱脅迫后實(shí)際光化學(xué)量子效率的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對越富實(shí)際光化學(xué)效率的影響也主要集中于上部，對IL392實(shí)際光化學(xué)量子效率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低從葉片上部開始發(fā)生。短時(shí)間的干旱脅迫（60 min以內(nèi)）提高了IL392的實(shí)際光化學(xué)量子效率。
（二）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片NPQ的影響
NPQ成像揭示了同一部位不同材料和同一材料不同部位對干旱脅迫的響應(yīng)情況（圖2）。首先，整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片損傷增加，熱耗散增加，同一材料不同部位，葉片上中部的（2、3、4）熱耗散更大（IL392例外），頂部次之，下部最小，說明葉片上中部的損傷更大，頂部次之，葉片底部的損傷小。其次，同一部位不同材料，0～30 min，IRAT109＼IL392 > 越富，說明IRAT109＼IL392對干旱脅迫帶來的損傷能夠迅速做出反應(yīng)，通過增加熱耗散來保護(hù)自身，而越富對干旱脅迫反應(yīng)遲鈍。脅迫60 min以后，IRAT109 > IL392/越富，IL392熱耗散增加幅度小，而且30 min的脅迫降低了它的熱耗散，60 min時(shí)又驟然增加，同時(shí)，IL392葉片各部位熱耗散比較均衡。
（三）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片qP的影響
光化學(xué)淬滅系數(shù)反映了植物葉片光和活性的高低。隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片光合活性降低，同一材料不同部位，葉片光合活性為9>8>7>6>5≥4>3/2/1（圖3），且干旱脅迫后光合活性的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成的損傷整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對越富光和活性的影響也主要集中于上部，對IL392光合活性沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即光合活性的降低從葉片上部開始發(fā)生。
（四）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片ETR的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片相對電子傳遞速率降低。同一材料不同部位，葉片相對電子傳遞速率為9>8>7>6>5>4>3/2/1（圖4），且干旱脅迫后相對電子傳遞速率的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成相對電子傳遞速率的降低，主要集中于葉片上部。干旱對越富相對電子傳遞速率的影響也主要集中于上部，對IL392相對電子傳遞速率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即相對電子傳遞速率的降低從葉片上部開始發(fā)生。
三、小結(jié)與討論
葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監(jiān)測手段。干旱脅迫下植物的PSII 原初光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活性降低，光合電子傳遞受到抑制。本研究，PEG模擬干旱脅迫，3個(gè)材料的葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率都降低，熱耗散增加。但是令人奇怪的是，旱稻的葉片光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率下降的時(shí)間和幅度都較水稻和導(dǎo)入系更早、更大。導(dǎo)入系IL392在整個(gè)較短時(shí)間內(nèi)的干旱脅迫環(huán)境中表現(xiàn)出極度的鈍感，并且干旱脅迫對IL392的影響較小，這可能是旱稻對瞬時(shí)干旱脅迫的反應(yīng)比較，以便植物對干旱做出適應(yīng)的機(jī)制。植物本身的葉片特征和光合機(jī)構(gòu)性能有著緊密的關(guān)系，但是，在光系統(tǒng)II中進(jìn)行光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著非常重要的作用，協(xié)調(diào)著光系統(tǒng)II的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究，運(yùn)用調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM監(jiān)測干旱脅迫過程葉片不同部位熒光反應(yīng)情況，葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率各參數(shù)都存在葉片的位置效應(yīng)，從葉片基部最大，葉片頂部最小。受脅迫時(shí)，葉尖到葉片基部對干旱脅迫的反應(yīng)敏感度逐漸減小，對PSII的影響從葉片上部到基部逐漸減小，這可能是因?yàn)楦珊得{迫導(dǎo)致葉片上部葉綠體中的嗜鋨顆粒增多，加速上部葉片的衰老，因而導(dǎo)致葉片上部的光合性能低于葉片基部。試驗(yàn)采用的是距離心葉最近的葉片，葉片可能還沒有完全發(fā)育，所以基部葉片可能葉綠素?cái)?shù)量多，光合性能強(qiáng)，脅迫下光合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也好。當(dāng)然除了葉片本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)方面原因，水旱稻及導(dǎo)入系的葉位效應(yīng)也存在差異，這也可能是遺傳因素造成的。
本研究只是從葉片熒光的層面對同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應(yīng)進(jìn)行了初步探究，發(fā)現(xiàn)葉片對干旱脅迫的反應(yīng)敏感度是從葉片上部向葉片基部逐步減小的，葉片不同部位的研究具有一定的參考價(jià)值，有關(guān)同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
作物光合作用對干旱脅迫反應(yīng)十分敏感，干旱脅迫環(huán)境下植物葉片的葉綠素穩(wěn)定性下降，含量降低，葉片的光合速率也降低，從而作物的產(chǎn)量降低。干旱脅迫造成植物的氣孔關(guān)閉、水分平衡失調(diào)和酶失活會降低CO2同化量和光系統(tǒng)域光化學(xué)活性與光合電子需求不平衡，傷害葉片的葉綠體光合機(jī)構(gòu) PS系統(tǒng)，引發(fā)光合機(jī)構(gòu)受損。耐性品種具有較強(qiáng)的熱耗散和光呼吸等耗散過剩光能的調(diào)節(jié)機(jī)制，對干旱和光脅迫的保護(hù)能力較強(qiáng)。旱稻的抗旱性優(yōu)于水稻，但是，對于短時(shí)的干旱脅迫旱稻是否比水稻更迅速地適應(yīng)機(jī)制，光合機(jī)構(gòu)在短時(shí)干旱脅迫是否比水稻更穩(wěn)定。本研究，利用水稻越富、旱稻IRAT109及導(dǎo)入系為材料，用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM測定各材料葉片的葉綠素?zé)晒猓治鏊档镜娜~綠素?zé)晒鈱λ矔r(shí)干旱的適應(yīng)機(jī)制。
一、材料與方法
（一）試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為水稻品種越富、旱稻品種IRAT109、導(dǎo)入系IL392。
（二）試驗(yàn)方法
3個(gè)材料種子先用10% H2O2表面消毒10 min，無菌水沖洗6次（2 min/次），然后放置于無菌水中浸泡24 h，之后置于濕紗布上，黑暗條件下32℃催芽2 d，將露白的種子播于底部粘有紗布的泡沫塑料孔板上，每孔5粒，將泡沫板漂于盒子中，先用清水培養(yǎng)7 d，再用0.5倍的全營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。3葉期，用海綿將水稻幼苗固定在塑料盒中，每盒種植30株，每7 d更換1次水稻營養(yǎng)液，每3 d調(diào)節(jié)1次pH值，使pH值為5.3。盡量保持相同的培養(yǎng)條件，生長至6葉期，3種材料水培至6葉期進(jìn)行25% PEG 6000的干旱脅迫處理，分別在0 min、30 min、60 min、90 min、120 min時(shí)測定葉片熒光，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
（三）測定儀器
調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM（M系列，德國WALZ公司生產(chǎn)）。
（四）測定部位
距離心葉最近的1片完全葉，3個(gè)重復(fù)。
二、結(jié)果與分析
由水旱稻葉片熒光圖的分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對水旱稻葉片的影響是從葉片頂端向葉片基部逐步發(fā)生的。把從葉片頂端到葉片基部均勻分為了9個(gè)部分，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8、9，測定葉片光系統(tǒng)II的熒光參數(shù)，來分析干旱對葉片各部位光系統(tǒng)II 的脅迫損傷規(guī)律。
（一）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片Y（Ⅱ）的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率降低。同一材料不同部位，葉片實(shí)際光化學(xué)效率為9>8>7>6>5>4>3/2/1（圖1），且干旱脅迫后實(shí)際光化學(xué)量子效率的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對越富實(shí)際光化學(xué)效率的影響也主要集中于上部，對IL392實(shí)際光化學(xué)量子效率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即實(shí)際光化學(xué)量子效率的降低從葉片上部開始發(fā)生。短時(shí)間的干旱脅迫（60 min以內(nèi)）提高了IL392的實(shí)際光化學(xué)量子效率。
（二）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片NPQ的影響
NPQ成像揭示了同一部位不同材料和同一材料不同部位對干旱脅迫的響應(yīng)情況（圖2）。首先，整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片損傷增加，熱耗散增加，同一材料不同部位，葉片上中部的（2、3、4）熱耗散更大（IL392例外），頂部次之，下部最小，說明葉片上中部的損傷更大，頂部次之，葉片底部的損傷小。其次，同一部位不同材料，0～30 min，IRAT109＼IL392 > 越富，說明IRAT109＼IL392對干旱脅迫帶來的損傷能夠迅速做出反應(yīng)，通過增加熱耗散來保護(hù)自身，而越富對干旱脅迫反應(yīng)遲鈍。脅迫60 min以后，IRAT109 > IL392/越富，IL392熱耗散增加幅度小，而且30 min的脅迫降低了它的熱耗散，60 min時(shí)又驟然增加，同時(shí)，IL392葉片各部位熱耗散比較均衡。
（三）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片qP的影響
光化學(xué)淬滅系數(shù)反映了植物葉片光和活性的高低。隨著脅迫時(shí)間的延長，葉片光合活性降低，同一材料不同部位，葉片光合活性為9>8>7>6>5≥4>3/2/1（圖3），且干旱脅迫后光合活性的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成的損傷整體性強(qiáng)，主要集中于上部。干旱對越富光和活性的影響也主要集中于上部，對IL392光合活性沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即光合活性的降低從葉片上部開始發(fā)生。
（四）短時(shí)干旱脅迫對水旱稻葉片ETR的影響
整體上隨著脅迫時(shí)間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片相對電子傳遞速率降低。同一材料不同部位，葉片相對電子傳遞速率為9>8>7>6>5>4>3/2/1（圖4），且干旱脅迫后相對電子傳遞速率的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成相對電子傳遞速率的降低，主要集中于葉片上部。干旱對越富相對電子傳遞速率的影響也主要集中于上部，對IL392相對電子傳遞速率沒有產(chǎn)生極大的影響，且影響從葉片上部開始發(fā)生，即相對電子傳遞速率的降低從葉片上部開始發(fā)生。
三、小結(jié)與討論
葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監(jiān)測手段。干旱脅迫下植物的PSII 原初光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活性降低，光合電子傳遞受到抑制。本研究，PEG模擬干旱脅迫，3個(gè)材料的葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率都降低，熱耗散增加。但是令人奇怪的是，旱稻的葉片光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率下降的時(shí)間和幅度都較水稻和導(dǎo)入系更早、更大。導(dǎo)入系IL392在整個(gè)較短時(shí)間內(nèi)的干旱脅迫環(huán)境中表現(xiàn)出極度的鈍感，并且干旱脅迫對IL392的影響較小，這可能是旱稻對瞬時(shí)干旱脅迫的反應(yīng)比較，以便植物對干旱做出適應(yīng)的機(jī)制。植物本身的葉片特征和光合機(jī)構(gòu)性能有著緊密的關(guān)系，但是，在光系統(tǒng)II中進(jìn)行光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著非常重要的作用，協(xié)調(diào)著光系統(tǒng)II的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究，運(yùn)用調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)Imaging-PAM監(jiān)測干旱脅迫過程葉片不同部位熒光反應(yīng)情況，葉片實(shí)際光化學(xué)量子效率、光化學(xué)淬滅系數(shù)、相對電子傳遞速率各參數(shù)都存在葉片的位置效應(yīng)，從葉片基部最大，葉片頂部最小。受脅迫時(shí)，葉尖到葉片基部對干旱脅迫的反應(yīng)敏感度逐漸減小，對PSII的影響從葉片上部到基部逐漸減小，這可能是因?yàn)楦珊得{迫導(dǎo)致葉片上部葉綠體中的嗜鋨顆粒增多，加速上部葉片的衰老，因而導(dǎo)致葉片上部的光合性能低于葉片基部。試驗(yàn)采用的是距離心葉最近的葉片，葉片可能還沒有完全發(fā)育，所以基部葉片可能葉綠素?cái)?shù)量多，光合性能強(qiáng)，脅迫下光合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也好。當(dāng)然除了葉片本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)方面原因，水旱稻及導(dǎo)入系的葉位效應(yīng)也存在差異，這也可能是遺傳因素造成的。
本研究只是從葉片熒光的層面對同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應(yīng)進(jìn)行了初步探究，發(fā)現(xiàn)葉片對干旱脅迫的反應(yīng)敏感度是從葉片上部向葉片基部逐步減小的，葉片不同部位的研究具有一定的參考價(jià)值，有關(guān)同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。
